（岩土工程专业论文）炭质页岩路堤沉降特性及填筑技术研究.pdf

s t u d y o ns e t t l e m e n tp r o p e r t i e sa n df i l l i n gt e c h n o l o g y o f c a r b o n a c e o u ss h a l ee m b a n k m e n t w a n g y i m i n g b e ( u n i v e r s i t yo fs o u t hc h i n a ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g 1 n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g i i l c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rf u h o n g y u a n m a y , 2 0 1 1 咖9m734 圳8舢8iiiii_y 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 土素日用 日期：汐f 年月洗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 储签名：王惹 导师签名：钐 日期：砂l1 年s 月2 1 日 址年f 罚弱b 摘要 炭质页岩具有风化快、强度低、遇水易崩解等不良工程特性，将其用于路堤 填料，如果处理不当，就容易形成路基病害。在广西六寨至河池高速公路建设中， 遇到大量炭质页岩，考虑到工期、投资和绿色环保等因素，不可避免地将其应用 于高速公路路堤填筑。因此，本文在已有软岩填料路堤的研究成果上，围绕炭质 页岩填料的路用性能、路堤的沉降变形特性及填筑技术等问题，通过室内试验、 实体试验及有限元数值模拟分析等手段开展了以下研究工作： ( 1 ) 炭质页岩填料的路用性能研究。通过化学成分分析、粒度分析、压缩 试验、c b r 试验、直剪和常规三轴试验研究，表明崩解后只有部分炭质页岩填 料能满足高速公路路堤的强度和刚度要求，可用于高速公路的路堤填筑。 ( 2 ) 炭质页岩路堤沉降特性研究。通过对室内试验得到炭质页岩填料的应 力一应变关系更接近d u n c a n - c h a n g 本构模型；基于大型有限元软件a b a q u s 的 二次开发平台，研究了不周压实度条件下的路堤变形规律；通过现场沉降观测与 数值模拟分析研究炭质页岩路堤的沉降特性，两者吻合较好，并根据现场实测数 据对炭质页岩路堤的工后沉降进行预测研究。 ( 3 ) 炭质页岩路堤填筑技术的研究。根据炭质页岩的工程性质，确定了炭 质页岩路堤填筑的关键技术，进而确定了先使炭质页岩完全崩解、稳定，再通过 压实及泥化路堤顶面的处理措施，提出采用渐进式的摊铺方法，松铺厚度宜为 3 0 4 0 c m ，先用2 0 t 振动羊角压路机碾压两遍，再用2 0 t 振动光轮压路机碾压四 遍，然后用冲击压路机对9 4 区顶面进行冲击补压2 0 遍的施工工艺。同时，根据 地下水的分布情况，提出了相应的炭质页岩地基处理方法。 关键词：炭质页岩；路用性能；路堤沉降：填筑技术 a bs t r a c t c a r b o n a c e o u ss h a l eh a sh a r m f u le n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s ，s u c ha sw e a t h e r i n gf a s t , l o ws t r e n g t h , e a s yc o l l a p s ee t e w h e ni ti su s e dt oe m b a n k m e n tf i l l i n g ，i ti se a s yt o f o r mt h ee m b a n k m e n td i s e a s e ，i fi ti s i m p r o p e r h a n d l e d t h e r ei sal o to f c a r b o n a c e o u ss h a l ea l o n gl i uz h a it oh e c h ih i g h w a yi ng u a n g x i c o n s i d e r i n gt h e c o n s t r u c t i o np e r i o d , i n v e s t m e n ta n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf a c t o r s ，i th a v et ob e a p p l i e dt ot h eh i g h w a ye m b a n k m e n tf i l l i n g t h e r e f o r e ，t h i sp a p e r , b a s e do ne x i s t i n g s o f tr o c ke m b a n k m e n tf i l l i n gr e s e a r c hr e s u l t s ，f o c u s e do nt h ec a r b o n a c e o u ss h a l eo f t h er o a d ，e m b a n k m e n ts e t t l e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dt e c h n i c a lo ff i l l i n ge t c ，b y l a b o r a t o r yt e s t s ，f i e l dt e s t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s ，c a r r i e so u tf o l l o w i n g r e s e a r c hw o r k ( 1 ) r e s e a r c ho nr o a dp r o p e r t i e so fc a r b o n a c e o u ss h a l e l a b o r a t o r yt e s t s ，s u c ha s c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，g r a i nc o m p o s i t i o n , c o m p r e s s i o nt e s t ，c b rt e s t , d i r e c ts h e a r a n dt r i a x i a lt e s t se t c ，s h o wt h a to n l yap o r t i o no fc o l l a p s e dc a r b o n a c e o u ss h a l ec a n m e e tt h er e q u i r e m e n t so fs t r e n g t ha n ds t i f f n e s so fh i g h w a ye m b a n k m e n tm a t e r i a l ，c a n b eu s e dt oh i g h w a ye m b a n k m e n t ( 2 ) r e s e a c ho ns e t t l e m e n tp r o p e r t i e so fc a r b o n a c e o u ss h a l ee m b a n k m e n t l a b o r a t o r yt e s t s ，f o u n d t h a ti t s r e l a t i o n s h i p o fs t r e s s s t r a i ni sc l o s e rt o d u n c a n - c h a n gc o n s t i t u t i v em o d e l b a s e do ns e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fl a r g e f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u s ，t h er u l eo fe m b a n k m e n td e f o r m a t i o nu n d e r d i f f e r e n td e g r e eo fc o m p a c t i o ni ss t u d i e d b ys e t t l e m e n to b s e r v a t i o n a la n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h es e t t l e m e n tp r o p e r t yi sa l s os t u d i e d t h er e s u l t s c a l lb ew e l lf i t a c c o r d i n g t oo b s e r v a t i o n a ld a t e ，e m b a n k m e n ts e t t l e m e n ta f t e rc o n s t r u c t i o ni s f o r e c a s t e d ( 3 ) r e s e a c h o nf i l l i n g t e c h n o l o g y o fc a r b o n a c e o u ss h a l ee m b a n k m e n t a c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so f c a r b o n a c e o u ss h a l e ，t h ek e yt e c h n o l o g i e s o fc a r b o n a c e o u ss h a l ee m b a n k m e n tc a nb e e nd e t e r m i n e d , t h e nt h et r e a t m e n t m e a s u r e sc a nb e e nd e t e r m i n e dt h a t ，m a k et h ec a r b o n a c e o u ss h a l ec o l l a p s ec o m p l e t e l y , s t a b i l i t yf i r s t l y , a n dm u dt h es u r f a c eo fr o a db yc o m p a c t i o n t h i sp a p e rp r o p o s e d p r o g r e s s i v ep a v i n gm e t h o d ，t h i c k n e s so fl o o s el a ys h o u l db e3 0 - - 4 0 c m ，a n df i r s t l y2 0 t v i b r a t i n gr o l l e rc l a wr o i l st w i c e ，t h e n2 0 tv i b r a t i n gr o l l e rw h e e lr o l l sf o u rt i m e s ，f i n a l l y , i m p a c tr o l l e rp r e s st w e n t yt i m e so nt o ps u r f a c eo f 9 4a r e a a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n g i i t ot h ed i s t r i b u t i o no fg r o u n d w a t e r , c o r r e s p o n d i n gt r e a t m e n tm e a s u l e si sp r o p o s e dt o c a r b o n a c e o u ss h a l ef o u n d a t i o n k e yw o r d s ：c a r b o n a c e o u ss h a l e ；r o a dp r o p e r t i e s ；e m b a n k m e n ts e t t l e m e n t ； t i l l i n gt e c h n o l o g y i 摘要 目录 。i 王s 。i l ：l i ：。i i i 第一章绪论 1 1课题的提出及研究意义l 1 2 软岩填料研究现状2 1 2 1 软岩填料路用性能研究现状2 1 2 2 路堤施工工艺研究研究现状3 1 2 3路堤沉降规律与预测研究现状4 1 3主要研究内容6 第二章炭质页岩填料路用性能研究 2 1概述8 2 2 炭质页岩的化学组成8 2 3基本物理性质9 2 4 粒度分析1 0 2 5室内承载比( c b r ) 试验。l l 2 6 压缩试验13 2 7 抗剪强度试验1 5 2 7 1直剪试验l5 2 7 2 三轴剪切试验l7 2 8 本章小结1 8 第三章炭质页岩路堤沉降特性研究 3 1工程概况2 0 3 2 炭质页岩路堤沉降变形机理。2 l 3 3 现场沉降观测一2 3 3 3 1 仪器设备2 3 3 3 2 沉降板的基本原理2 3 3 3 3 沉降板布置及观测方案2 4 3 3 4 沉降观测注意事项2 5 3 4 沉降观测结果分析2 5 3 5 有限元数值模拟分析2 8 3 5 1 炭质页岩路堤本构模璎确定2 8 3 5 2 在a b a q u s 中实现d u n c a n - c h a n g 模型2 9 3 5 3 模拟计算模型3 3 3 5 4 模拟计算结果分析3 3 3 5 6 现场观测与数值模拟对比分析3 6 3 5 7 炭质页岩填料抗剪强度对路堤沉降的影响3 8 3 6 本章小结一3 8 第四章炭质页岩路堤沉降预测分析 4 1 弓i 言4 0 4 2 几种路堤沉降预测模型概述4 0 4 2 1 双曲线模型4 0 4 2 2 指数曲线模型4l 4 2 3泊松曲线模型4 2 4 3预测模型对比分析4 3 4 4 本章小结4 5 第五章炭质页岩路堤填筑技术研究 5 1高速公路路堤压实标准与施工流程4 6 5 2 炭质页岩路堤填筑的关键技术4 7 5 3 施工工艺4 8 5 3 1 主要施： = 机械。4 8 5 3 2 炭质页岩路堤地基处理4 9 5 3 3 填料摊铺方法5l 5 3 4 碾压工艺5 2 5 3 4 施工流程5 6 5 4 本章小结。5 8 结论与展望5 9 参考文献6l 致谢6 6 附录6 7 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 广西宜州至六寨高速公路是其中阿荣旗至北海公路的组成部分，是国家高速 公路“7 9 1 8 网中兰州至海口和汕头至昆明高速公路的重要路段，也是广西高速 公路网规划“四纵六横三支线 的重要组成部分，建成后将成为桂西北地区乃至 国家西部地区重要的出海大通道。全长约1 7 0 公里，建设工期3 年。公路全线采 用四车道高速公路标准建设，采用沥青路面结构设计，估算总投资约8 0 亿元。 由于宜州至六寨高速公路地处云贵高原向广西丘陵过渡的地带，公路沿线地 段山大沟深，山势险峻，高差悬殊，溪涧交错，水文地质、地形条件异常复杂， 广泛分布着的沉积岩中多数富含碳而呈灰黑色，习惯统称为炭质页( 泥) 岩，在 这种地形条件下修筑高速公路，不可避免地出现大量的挖方路堑边坡及高填路 堤，考虑到工期和投资，直接采用炭质页岩材料作为路堤填料是不可避免的。 炭质页岩属于软质岩【。软岩料相对于硬岩料具有强度低、风化程度高、压 缩性高、渗透性低等特点。过去由于对软岩的工程性质认识不足和技术经济条件 限制，采用此类填料填筑的路基，经多年运行后，在交通循环荷载和自然条件作 用下产生严重路基病害，如路床翻浆冒泥、路基不均匀沉陷、路堤边坡塌坍等， 导致路基结构状态恶化和维修工程量增加。近几年来，高等级公路建设突飞猛进， 软岩在公路建设中如何使用就成为学术界和工程技术人员普遍关注的问题。炭质 页岩具有风化快、强度底、遇水易崩解等不良地质特征，使炭质页岩难以成为理 想的路基填料，但如果弃之不用则又由于炭质页岩中植物的不可生长性，使得炭 质页岩的弃土场成为占用土地的不毛之地，这不仅在土地极为缺乏的广西山区占 用了大量土地，而且填筑较高的炭质页岩弃土场会由于泥岩的长期风化崩解和雨 水的不断冲刷作用，而最终淤塞溪流、河道，同时在暴雨季节还可能会发生泥石 流和崩塌等地质灾害，威胁人民的生命财产安全，还不利于节约土地资源和保护 环境，违背了我国经济“又好又快 发展的策略。因此，结合炭质页岩的工程特 性，研究炭质页岩的路用性能及填筑技术，对节省工程投资、提高公路的建设质 量、节约土地资源、美化环境和经济的可持续发展具有重要的理论与实际意义， 还可以为今后软岩填料的设计及施工积累宝贵的工程经验。 1 2 软岩填料研究现状 目前国内外公路工程关于软岩填料的技术标准中未做详细规定，根据一些实 际具体工程实例，科研人员和工程技术人员作了一些研究，并取得相当的研究成 果。 1 2 1软岩填料路用性能研究现状 日本【2 】( 1 9 8 4 ) 对一种软岩填料进行现场填筑试验和动态试验，研究数年， 提出从破碎率和崩解率两方面来评价软岩填料的压缩性。冯宗禹【3 】在1 9 9 5 年就开 始对软岩作路基填料问题进行了研究。柏树田等【4 ( 2 0 0 2 ) 通过软岩堆石料的室内 和现场试验研究，表明：经过多次降雨暴晒循环或人为机械碾压后，软岩堆石料 会发生崩解破碎，颗粒细化；同时，在最佳含水率附近，可达到符合要求的压实 度，但其抗剪强度低于硬岩填料。王永顺1 5 1 ( 2 0 0 3 ) 针对软岩填料颗粒级配控制、 最大干密度、最佳含水量、松铺厚度、碾压设备及碾压遍数的确定、质量检测和 工后沉降进行了综合深入地研究。董泽福【6 3 ( 2 0 0 3 ) 以湖南的红砂岩为研究对象， 认为碎屑岩强度不高，不能作为石料是沉积过程中颗粒分选不良，常有强度较低 的粘土矿物的混入的缘故。而粘土岩的物理力学性质均能满足路基设计规范的要 求是其含砂量相对较高，f e 2 + 离子的存在减弱了亲水性，增强了水稳定性的缘故。 熊跃华等【7 】( 2 0 0 4 ) 以千枚岩为研究对象，通过室内模型试验研究千枚岩填料路 基的稳定性，认为水是影响路基的稳定性的主要因素，在路堤填筑施工中可以通 过适当增加粗骨料的比例，减少细颗粒的含量以增强路基的稳定性，还应采取有 效措施防止水的浸入。赵明华1 8 1 等( 2 0 0 5 ) 通过对组成红层软岩的各种岩类进行 试验研究，认为组成红层软岩的岩类混杂，化学成分、物理力学性质、水理性质 等存在一定差异，但在自然条件或机械破碎使其完全崩解后可得到稳定的红层填 料，当压实度超过9 5 后，红层填料的物理力学指标均可满足路基设计规范对路 基填料的要求，并得出了崩解后红层软岩填料路用工程特性指标间的相互关系 式。郑明新等( 2 0 0 5 ) 1 9 1 武广客运铁路专线为依托工程，以沿线软质千枚岩和泥 质粉岩为研究对象，通过室内物理力学试验研究，认为风化软岩填筑路基是可行 性的，同时给出了判定软岩填筑路基可行性的方法。刘新喜等【1 0 1 ( 2 0 0 6 ) 通过对强 风化软岩填料室内试验研究，表明：填料的压实性能较好，可用于高等级公路路 基填筑；湿法填筑和提高路基压实度是减少湿化变形的有效措施。刘晓阴【1 1 1 ( 2 0 0 6 ) 为了研究红层软岩填料的崩解性和路用性，进行了大量的工程调研后，认为只要 将红层软岩填料压实度达到一定值就可以用作高速公路的路基填筑。向贵府等【1 2 1 ( 2 0 0 6 ) 通过大量的室内承载比试验来研究昔格达极软岩填料的路用性，得出如 2 下重要结论：泥岩和水的含量对昔格达极软岩承载比影响显著，泥岩和水的含量 高，其承载比明显降低。因此在路基填筑过程中只要适当减少其泥岩含量和含水 率，并碾压充分，就可以用于高速公路的路堤填筑。郑良飞【1 5 1 ( 2 0 0 8 ) 以恩施地区 软岩为研究对象，结合红官公路试验段，通过室内和现场试验对恩施地区软岩物 理力学性质进行了较为全面的研究，并找出了一些主要因素对物理力学指标的影 响关系式。袁伟【- 6 1 ( 2 0 0 9 ) 通过室内室外试验研究，证明了泥质粉砂岩填料这种代 表性的软岩只要控制适当的含水率进行充分压实后，具有最够的抗剪强度和刚度 及稳定性，完全可以用于武广客运专线高速铁路路堤本体的填筑。 1 2 2 路堤施工工艺研究研究现状 在公路和铁路建设施工中，路基施工都是通过分层振动压实来实现的。其主 要机理【1 7 l i s l 是通过压路机的振动使被压实材料内产生振动冲击，被压实材料的颗 粒在振动冲击作用下，相对位置发生变化，出现了相互填充的现象，从而使被压 实材料孔隙体积减少，即增加了被压实材料的密实度，进而承载力得到提高。 杨人凤1 1 9 】等( 2 0 0 3 ) 先自主研发出一种冲击一振动复合压实装置，并利用它进 行了大量的试验研究后，揭示了被压材料内应力的变化规律，阐明了在冲击一振 动联合作用下被压材料被压实的机理。曾宪端【2 0 1 ( 19 9 7 ) 为了研究软质红层泥岩的 碾压特性，进行了大量的室内、现场的试验，比较分析了各种碾压设备及碾压效 果，给出了要达到公路设计规范强度要求的级配范围及最低压实度，同时还建立 了每层碾压厚度与压实度、碾压遍数与压实度的关系。贾侃1 2 1 1 ( 2 0 0 3 ) 理论分析 和现场实体试验研究，对填石路堤的地基、填料摊铺、机械选型及压实工艺进行 了全面研究。王永顺【5 l ( 2 0 0 3 ) 认为目前填料的采集主要有三种方法，介绍了三 种方法的优缺点，分别用这三种方法在同一料场取料得到的级配不太理想，因此， 建议采用混合法采集填料，可获得较理想粒径级配，并通过在现场进行实体试验 研究，确定摊铺厚度为5 0 c m ，采用1 2 t 振动压路机，分层碾压8 1 0 遍可达到压实 度要求的施工工艺。赵明华( 2 0 0 3 ) 1 2 2 1 等在某高速公路大型模拟试验路堤及实体 工程试验路段试验研究的基础上，深入分析了红砂岩路堤的填筑机理，确定了以 “预崩解一耙压一压实 工序为核心的施工工艺，并提出了相应合理的路基填筑 质量控制标准及其检测方法，为红砂岩地区高速公路路堤填筑提供了可靠的技术 保证。王智猛( 2 0 0 3 ) 1 2 3 1 以四川红层泥岩为研究对象，在红层泥岩中参入一定配 合比的石灰得到红层泥岩的改良填料，通过对改良填料的室内试验研究及红层泥 岩路堤的边坡稳定性与路堤沉降的计算分析，表明红层泥岩改良填料能满足高速 铁路路堤对填料的要求，将其用于高速铁路路堤填筑是可行的。王东耀【2 4 l 针对 勉宁线的粉砂岩和页岩路堤，提出了最大粒径为1 5 c m ，摊铺层厚为4 0 c m ，先用 3 1 6 t 拖式凸齿振动压路机碾压4 遍，再用1 6 t 光轮振动压路机碾压4 遍，且在碾压过 程中不需进行洒水工作的施工工艺。卿启湘等【2 5 】( 2 0 0 5 ) 在武广客运专线进行实 体试验，分析了沿线软岩岩土填料粒径级配和压实机械的选择，提出了软质岩块 路堤的设计及施工工艺等。 1 2 3 路堤沉降规律与预测研究现状 高速公路路堤的沉降主要由地基的固结沉降和路堤本身的压缩沉降，由于高 速公路上行驶的车速快，对平整度要求高，路堤的沉降( 特别是不均匀沉降) 会直 接影响高速公路的使用性能，而且由于路堤填土自身压密产生的沉降较为可观， 因此，对高速公路路堤沉降规律的研究，不仅为提高高速公路质量水平提供依据， 还对保障人民生命财产安全有一定的意义。填方路堤的沉降研究，一般包括路堤 的沉降监测、沉降计算和根据观测数据预测路堤的沉降等。然而由于路堤沉降变 形的复杂性及相关理论的缺乏，迄今为止，路堤的沉降还没有统一的计算理论和 方法，只是某一理论或方法对某一实际工程比较适合，故路堤的沉降及工后沉降 的控制问题，一直备受学术界和工程界的关注。 1 9 2 5 年，太沙基提出的有效应力原理，虽然有效应力原理只能解释一维的饱 和土的固结现象，对非饱和土体并不适合，但它的提出是现代土力学真正开始的 标志。接着，著名学者r e n d u l i c 通过大量研究，二维和三维固结理论相继问世， 至u 1 9 4 1 年，比奥推导出了能反映土颗粒骨架沉降与孔隙水压力消散相互关系的三 维固结理论方程，其理论假设是太沙基的弹性理论假设，更进一步推动了近代土 力学的发展。然而对于非饱和土，其在荷载作用下的固结机理与饱和土有十分显 著区别，主要表现在非饱和土体中气体具有很高的压缩性，固结过程中，土中水 和气会发生相互作用。c o l e m a n ( 1 9 6 1 ) t 2 6 1 最早提出了描述非饱和土体应力状态的 双变量理论。f r e d l u n d t 2 7 ( 1 9 7 9 ) 贝f j 认为，在一般问题中，孔隙水和气的压力对土 颗粒的压缩可以忽略，采用目前广泛应用的基质吸力( u s ) 和净应力( a - u a ) 的双变 量理论。f r e d l u n d 和h a s a n 基于已有的研究成果，通过大量的试验研究，终于在 1 9 7 9 年建立了非饱和土体一维固结理论。 国内学者对非饱和土的固结理论研究较早的学者有陈正汉、杨代泉和殷宗 泽，陈正汉【2 8 】( 1 9 8 9 ) 开创性地利用混合物理论研究了非饱和土的固结理论，提 出一个较为完整的非饱和土固结理论体系；杨代泉1 2 9 ( 1 9 9 1 ) 提出的非饱和土的 广义固结理论，虽然只能进行数值解，在工程实践中未被普遍采用，但于具有重 要的理论意义；殷宗泽【3 0 】( 1 9 9 2 ) 的非饱和土的二维固结理论是对非饱和土三维 固结理论进行了简化而提出的。铁道部科学研究院西北研究所的贾士谔p 1 1 ( 1 9 7 8 ) 和楚华栋【3 2 ( 1 9 8 7 ) 对黄土高路堤做了沉降试验研究，并根据实测资料分析了路堤 4 的沉降规律，研究认为黄土碾压施工中采用重型压实机械是必要的，并注意选用 路堤填料，提高路堤的压实度，预留沉降量，以减少路堤工后病害。柴锦春【3 3 3 ( 1 9 8 8 ) 认为路堤自身的沉降可分为施工期的沉降和竣工后的沉降两部分，而竣工后的沉 降又由在自重作用下的沉降和汽车运动循环荷载引起的沉降两部分组成，并对某 黄土高填土路堤的施工期和竣工后的沉降采用二维平面有限元方法进行了数值 模拟计算分析，其结果与实际相符。戴经梁、王晓谋删等利用非线性有限元方法， 以非饱和土的混合物固结理论为基础，对陕西省黄土路堤沉降变形进行研究，指 出了路堤的高度、压实度、及施工速度与路堤沉降的关系，并提出黄土路堤沉降 防治措施。 在定量分析方面，郝传裂3 5 】等( 1 9 9 1 ) 用非线性有限元对新填路堤土的自身压 缩问题进行了研究，结果表明：高填方路堤的自身压缩量与填筑高度呈双曲线关 系，当填筑高度在1 0 m 以内，且填料为中等压缩性土时，路堤自身沉降量不大； 而当填筑高度再增加或压实不好时，路堤自身沉降量不容忽视。刘保健( 2 0 0 5 ) t 3 6 1 结合实际工程，对饱和软土地基和黄土填方路堤的沉降过程进行了大量的实测试 验，揭示了大量有关公路路堤沉降变形的规律。原西安公路交通大学钟厚冰 ( 1 9 9 9 ) t 3 7 】利用清华t h e p d 程序对西宝高速公路竣工后变形进行了分析，指出竣工 时的最大沉降不是出现在路堤顶面中部，而是出现在路堤中部。刘涌江等( 2 0 0 5 ) t 3 8 】 依托云南安楚高速公路，对不同地基条件下的红层软岩高速公路高路堤的沉降变 形进行数值模拟分析，并与离心模型试验的数据进行对比发现两者能较好的吻 合。郑治( 2 0 0 5 ) 1 3 9 1 全面总结了某一西部课题中针对高填方路堤典型病害、高路堤 沉降计算方法、高路堤工后沉降预估方法、以及典型填料压实技术等方面所取得 研究成果，极大地完善有关规范，对提高我国山区高等级公路建设质量起到了积 极地作用。曹喜仁、钟守滨等【4 0 1 1 4 1 】( 2 0 0 2 ) 提出先分别考虑地基和填石料路堤的 变形，然后用叠加的方法来研究高填石路堤沉降规律。对地基变形的计算，采用 了能同时考虑剪切变形和压缩变形的修t d u n e a n c h a n g 模型：对填石路堤的变形 计算，则采用负指数曲线来拟合现场压实沉降曲线，并将最终的计算结果与实测 值比较，吻合较好。 国内外路堤的沉降预测方法主要有曲线拟合法、指数曲线模型、时间序列分 析、灰色理论预测、生长曲线、人工神网络模型预测、反演分析预测等，这些方 法都各有优缺点。王茂和【4 2 1 等( 1 9 9 9 ) 以芜湖长江大桥无为岸接线为依托，对试验 路段进行现场沉降观测试验，得到沉降时间曲线，并用二次多项式对沉降时间 曲线进行拟合分析，并计算最终沉降量。宰金珉【4 3 ( 2 0 0 1 ) 根据一级线性加载情况， 用泊松曲线进行沉降预测，得到了较好的结果，但对其它工况的效果不佳。梅建 雄【“】等( 2 0 0 0 ) 从沉降机理入手，对路堤沉降进行了分析，并将皮尔成长曲线应用 5 到对某实际工程的工后沉降及最终沉降值的预测，表明该方法在沉降预测的可行 性，值得推广运用。 石世云等1 4 5 1 ( 1 9 9 8 ) 成功地对单点的灰色预测模型g m ( 1 ，1 ) 改进为多点的 预测模型m g m ( 1 ，n ) ，并分别将其运用到工程实际中，结果表明：多变量预 测模型m g m ( 1 ，n ) 的预测精度明显高于单变量的g m ( 1 ，1 ) 模型。韩女才1 4 6 ( 2 0 0 0 ) 采用灰色理论建立单变量的g m ( 1 ，1 ) 预测模型对地基进行不等时间 距的沉降预测。曾超1 4 7 】等( 2 0 0 2 ) 将灰色系统理论应用到京珠高速公路试验路段沉 降量预测中，并将沉降预测结果与三点法、双曲线法的预测结果及实测结果进行 了对比分析，发现灰色模型的路堤沉降预测值与实际沉降量更接近。 a n n ，即人工神经网络【婚删，是一门新兴的、模拟生物脑神经系统的信息处 理系统，广泛应用于工程技术和信息科学领域。但将人工神经网络运用到路堤沉 降预测的研究起步较晚，由于此方法具有很强的学习能力和能较好的拟合复杂非 线性问题，因此，在工程中有很大的发展潜力。f l o o d t 5 7 1 ( 1 9 9 4 ) 首次将人工神经网 络方法运用到解决施工工序问题，并取得了不错的效果。国内方面，刘勇健【6 1 】 和林代锐等1 6 2 1 分别采用不同的施工方法，利用传统的三层b p 网络模型进行路堤 沉降预测，均取得了较高精度的预测值。李素艳【6 3 】等( 2 0 0 2 ) 针对广西六寨至水任 公路建立人工神经网络对3 0 m 高填方路堤进行沉降预测，并取得了相对误差值 均小于5 6 4 的较好结果。但对于沉降时间曲线有“台阶 现象的多级荷载作 用的沉降预测，人工神经网络预测沉降值与实测值相差较大。 谭昌明删等运用反演分析法采用s i m p l e x 进行参数的反演计算，提高了反演 分析法在地基沉降预测的精度。吕庆【6 5 】运用三维有限元正交数值试验、回归分析 和优化相结合的方法，采用广义k e l v i n 本构模型，并在现场沉降观测资料的基 础上，运用反演分析法预测高填方路堤的工后沉降，得到了和实际观测结果比较 一致的计算结果。 1 3 主要研究内容 从以上国内外研究现状可以看出，关于软岩填料的路用性能、软岩路堤的沉 降规律及填筑技术已取得了一定的研究成果，但在高速公路工程中，结合地形地 貌气象水文条件，对炭质页岩的路用性能和路基修筑技术的系统化研究方面的研 究在国内外文献中尚未见到有关报道，只是在有关炭质泥( 页) 岩的边坡防护方 面开展了部分初步研究工作，因此，本文根据已有的研究成果，以广西六寨至河 池高速公路炭质页岩路堤填筑为依托工程，开展了以下研究： ( 1 ) 通过室内试验研究，弄清炭质页岩的化学成分、粒度成分、液塑限等 物理性质；开展炭质页岩填料的压实试验、c b r 试验、压缩试验等，研究炭质 6 页岩填料的路用性能。 ( 2 ) 开展炭质页岩填料的三轴剪切试验，发现其应力应变可近似用双曲线 来拟合，即较符合d u n c a n c h a n g 本构模型，并研究干密度对填料的粘聚力和内 摩擦角的影响规律，计算出不同压实度的d u n c a n - c h a n g 本构模型的八大参数。 ( 3 ) 利用大型有限元软件a b a q u s 进行二次开发研究炭质页岩路堤的变 形特性；对典型炭质页岩路堤断面进行沉降观测，与数值模拟对比分析。 ( 4 ) 探讨了炭质页岩路堤的填筑技术，并根据实测沉降数据，运用三种沉 降预测模型对实测数据进行拟合对比分析，预测路堤中心和路肩工后沉降值。 7 2 1概述 第二章炭质页岩填料路用性能研究 广西六寨至河池高速公路地处云贵高原向广西丘陵过渡的地带，公路沿线广 泛分布着大量炭质页岩，炭质页岩具有风化快、强度底、遇水易崩解等不良地质 特征，能否用做路堤填料，怎样用，那就要对其路用性能进行研究。因此，本章 将针对公路线的炭质页岩的各种路用性能包括其化学组成、压实性、承载比、压 缩及剪切变形等进行试验t 6 6 1 研究，探讨其是否能用于高速公路路堤填料。 2 2 炭质页岩的化学组成 页岩属于沉积岩，在我国古生代和中生代有广泛分布，这些沉积岩中由于含 碳而成黑色，习惯统称为炭质页( 泥) 岩。广西六寨至河池高速公路沿线分布着 大量炭质页岩，本文选取高速公路沿线k 1 8 + 5 0 0 、k 2 0 + 4 0 0 和k 2 4 + 4 0 0 三工点 炭质页岩进行x 衍射分析如图2 1 图2 3 ，推断其矿物组成：含量最高的是石英， 粘土矿物主要是高岭石和蒙脱石，伊利石含量较少。通过化学分析得出其化学组 成如表2 1 ，从表可以看出，三工点炭质页岩的化学成分基本相同，含量最高的 是s i 0 2 ，其次是砧2 0 3 和f e 2 0 3 ，k 2 0 的含量较少，烧失量超过1 0 。 d r - 1 2 图2 1k 1 5 + 5 0 0 炭质页岩x 衍射分析 8 。叫r c 2o ， 图2 2k 2 0 + 4 0 0 炭质页岩x 衍射分析 ，l9 2 , 1 1 一l m i d r 【t 图2 3k 2 4 + 4 0 0 炭质页岩x 衍射分析 表2 1 炭质页岩主要化学成分含量 2 3 基本物理性质 土的基本物理性质主要有密度、比重、含水率、液塑限、抗压强度等，本节 通过对公路沿线工点炭质页岩进行室内相关土工试验，得出物理参数如表2 2 ， 在击实试验中发现，当含水率较低时，随着含水率的增加，其干密度也逐渐增加； 当含水率达到一定值时，随着含水率的增加，其干密度反而逐渐减少，说明炭质 页岩的压实特性与土的压实特性基本相似，即存在最佳含水率和最大干密度，在 最佳含水率左右压实可得到较大干密度，说明填料具有较好的压实性。同时，我 国公路路基设计规范( j t gd 3 0 2 0 0 4 ) 明确规定：液限大于5 0 ，塑性指数 大于2 6 的细粒土，不能直接用于路堤材料。由表2 1 可知，填料满足要求，可 以用于路堤填筑。同时，也要注意到炭质页岩的抗压强度较f f f 5 0 ，同时c 。在1 0 3 0 之间，粒径累计曲 线表现为曲线跨度较大、平滑，呈现凹面朝上的形式，且坡度较缓。 由于整个k 1 8 + 5 0 0 至k 2 4 + 4 0 0 全长近6 千米的范围内，炭质页岩埋藏的位 置，高程、离地面下的深度、产状、母岩性质和类别、风化程度，开采采集方法， 在备土场内所处环境，暴露在大气中的日照雨淋和水浸条件都不相同，因此材料 性质千变万化，咫尺有异，瞬息万变，很难确切掌握代表性试样的特征指标。本 1 0 次试验中考虑到炭质页岩这种极软岩材质特点和超大粒径含量多少可能严重影 响土粒指标，所以先将一个工点的填料都混和在一起，然后采用四分法多次筛选， 最后取适量足够的混合样进行颗粒大小分析试验。得出三工点炭质页